[論文レビュー] Engineered MoSe2-based heterostructures for efficient electrochemical hydrogen evolution reaction

Leyla Najafi, Sebastiano Bellani+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Electrocatalysts for Energy Conversion被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、グラフェンまたは単層カーボンナノチューブ（SWNT）を用いたMoSe2ベースのヘテロ構造を設計し、電気化学的水素発生反応（HER）活性を向上させた。MoSe2フラクチュアをカーボンナノ材料と結合させ、熱アニール処理およびn-ブチルリチウム処理を施すことにより、セレン空孔の生成と相転移を誘発し、基底面の活性化を実現した。その結果、交換電流密度が4.8倍増加（0.203 Acm⁻²）し、ターフェル斜度は54 mVdec⁻¹を達成した。

ABSTRACT

Two-dimensional transition metal-dichalcogenides are emerging as efficient and cost-effective electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER). However, only the edge sites of their trigonal prismatic phase show HER-electrocatalytic properties, while the basal plane, which is absent of defective/unsaturated sites, is inactive. Here, we tackle the key challenge that is increasing the number of electrocatalytic sites by designing and engineering heterostructures composed of single-/few-layer MoSe2 flakes and carbon nanomaterials (graphene or single-wall carbon nanotubes (SWNTs)) produced by solution processing. The electrochemical coupling between the materials that comprise the heterostructure effectively enhances the HER-electrocatalytic activity of the native MoSe2 flakes. The optimization of the mass loading of MoSe2 flakes and their electrode assembly via monolithic heterostructure stacking provided a cathodic current density of 10mAcm-2 at overpotential of 100mV, a Tafel slope of 63mVdec-1 and an exchange current density (j0) of 0.203 Acm-2. In addition, electrode thermal annealing in a hydrogen environment and chemical bathing in n-butyllithium are exploited to texturize the basal planes of the MoSe2 flakes (through Se-vacancies creation) and to achieve in situ semiconducting-to-metallic phase conversion, respectively, thus they activate new HER-electrocatalytic sites. The as-engineered electrodes show a 4.8-fold enhancement of j0 and a decrease in the Tafel slope to 54mVdec-1.

研究の動機と目的

• MoSe2の電気触媒活性が端部サイトに限定されているのを克服するため、その基底面を工学的に設計すること。
• 溶液プロセシングを用いたカーボンナノ材料（グラフェンまたはSWNT）とのヘテロ構造統合により、HER性能を向上させること。
• セレン空孔の生成と半導体-金属相転移の誘発により、MoSe2の不活性な基底面を活性化すること。
• 質量負荷および電極構造を最適化し、電気化学的性能を向上させること。
• 低過電圧で高い電流密度を達成し、ターフェル斜度および交換電流密度を改善すること。

提案手法

• 単層または少数層のMoSe2フラクチュアをグラフェンまたは単層カーボンナノチューブ（SWNT）と組み合わせた溶液プロセシングによるヘテロ構造の作製。
• MoSe2とカーボンナノ材料との電気化学的結合が、内在するHER活性を向上させた。
• 水素雰囲気下での熱アニール処理により、セレン空孔が生成され、MoSe2の基底面がテクスチャリングされた。
• n-ブチルリチウムによる化学的処理が、MoSe2における半導体-金属相転移をイン・サイトで誘発した。
• モノリシックなヘテロ構造スタッキングを用いて、質量負荷および電極構造を最適化した。
• 線形掃引ボルタメトリー、ターフェル解析、および交換電流密度の計算により、電気化学的性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoSe2の基底面は、表面構造を工学的に設計することで、HERに活性化可能か？
• RQ2 カーボンナノ材料との統合は、MoSe2の電気触媒活性にどのように影響するか？
• RQ3 セレン空孔の生成と相転移誘発が、MoSe2ベースのヘテロ構造におけるHER性能をどの程度向上させるか？
• RQ4 MoSe2ヘテロ構造におけるHER活性を最大化するための最適な質量負荷および電極構成は何か？
• RQ5 後処理戦略により、ターフェル斜度および交換電流密度を顕著に改善できるか？

主な発見

• 最適化されたヘテロ構造は、過電圧100 mVで10 mAcm⁻²の陰極電流密度を達成した。
• 処理後のターフェル斜度は54 mVdec⁻¹に低下し、反応機構の改善が示された。
• 交換電流密度（j₀）は0.203 Acm⁻²に増加し、純粋なMoSe2と比較して4.8倍の向上を達成した。
• 水素アニールによるセレン空孔生成が、MoSe2の基底面を効果的に活性化した。
• n-ブチルリチウム処理が半導体-金属相転移を誘発し、さらにHER活性が向上した。
• ヘテロ構造のモノリシックスタッキングにより、質量負荷の最適化が可能となり、電気化学的性能が向上した。